CN216904843U - 一种基于hcmos的电压控制振荡器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于HCMOS的电压控制振荡器，包括可调电源V_VCO电路、环形振荡器电路、缓冲器电路、线性放大器电路、V_CC电路，与非门N4构成缓冲器电路，N1的输出连接N2的5脚，N2的输出连接N3的9脚，N3的输出同时连接N4的12脚以及N1的2脚，V_VCO电路同时连接N1的1脚、N2的4脚、N3的10脚、N4的13脚，输入信号U_i连接N1的1脚，V_VCO电路连接集成电路IC1的14脚，N4的输出通过电容C1连接N5的输入端5脚，N5的输出端6脚通过电阻R1连接N5的输入端5脚，V_CC电路连接集成电路IC2的14脚，N5的输出端6脚输出振荡信号U_O。

Description

一种基于HCMOS的电压控制振荡器

技术领域

本实用新型涉及一种电压控制振荡器的技术，尤其一种基于HCMOS的电压控制振荡器，HCMOS集成电路有这样一种特性，其供电电压在2~6V变化时，在6V的工作电压下，这些集成块的工作速度要比2V的工作电压下快，利用这样一种特性，在环形振荡器的基础上，以1.5V~5V间变化的电源作为振荡器的输入信号，完成电压控制振荡器的设计。

背景技术

在一般电路设计中，获得某一固定频率的振荡信号并不困难，若希望修改电路的振荡频率，通常通过修改电路的阻容网络的时间参数τ值来实现，τ=R*C，故可以通过修改电阻值改变时间参数τ，也可以通过修改电容量来修改时间参数τ。

这种调整振荡频率的办法在实际工业控制中并不实用，比如在自动化控制领域，通过修改某一电容量或电阻值调整输出信号频率很不方便，因为在工业化自动控制中的控制或被控参数往往都是电压值或电流值，故可以利用压控振荡器来实现振荡频率的调整。

所谓压控振荡器，指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路(VCO)，且振荡频率是输入信号电压的函数的振荡器，振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。

高速CMOS电路54HC/74HC系列是八十年代初开发的一种性能优异的集成电路，这种集成电路采用3.5μ硅栅工艺，其开关速度比标准铝栅CMOS电路CD4000系列提高一个数量级，与LSTTL基本相仿，比STTL和ALSTTL慢一倍左右，54HC/74HC系列具有铝栅标准CMOS电路低功耗的优点，静态功耗或低频下的动态功耗在微瓦以下，54HC/74HC系列电路的外引线排列和逻辑功能与同序号的54LS/74LS系列完全相同。

高速CMOS电路54HC/74HC系列属于HCMOS集成电路，是一种全静态设计、高速互补金属氧化物半导体工艺，CMOS-互补金属氧化物半导体，由于HCMOS电路的种种优点，CMOS将被HCMOS所替代。

HCMOS集成电路有这样一种特性，其供电电压在2~6V变化时，在6V的工作电压下，这些集成块的工作速度要比2V的工作电压下快，利用这样一种特性，在环形振荡器的基础上，以1.5V~5V间变化的电源作为振荡器的输入信号，振荡器由三个级联的与非门构成，若要超出本电路所支持的振荡器频率范围，可以增加偶数个同样功能的门电路。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、造价低廉、使用可靠的电压控制振荡器的技术。

为实现上述目的，本实用新型提供一种基于HCMOS的电压控制振荡器，其包括1.5V~5V可调电源V_VCO电路、环形振荡器电路、缓冲器电路、线性放大器电路、5V电源V_CC电路，与非门N4构成所述缓冲器电路，所述环形振荡器电路包括与非门N1、与非门N2、与非门N3，与非门N1的输出连接与非门N2的5脚，与非门N2的输出连接与非门N3的9脚，与非门N3的输出同时连接与非门N4的12脚以及与非门N1的2脚，所述1.5V~5V可调电源V_VCO电路同时连接与非门N1的1脚、与非门N2的4脚、与非门N3的10脚、与非门N4的13脚，所述电压控制振荡器的输入信号U_i连接与非门N1的1脚，与非门N1、与非门N2、与非门N3、与非门N4皆属于集成电路IC1的四个与非门之一，所述1.5V~5V可调电源V_VCO电路连接集成电路IC1的14脚，反相器N5属于集成电路IC2的六个反相器之一，与非门N4的输出通过电容C1连接反相器N5的输入端5脚，反相器N5的输出端6脚通过电阻R1连接反相器N5的输入端5脚，所述5V电源V_CC电路连接集成电路IC2的14脚，反相器N5的输出端6脚输出振荡信号U_O。

所述1.5V~5V可调电源V_VCO电路，可调电源V_VCO通过电容C2连接工作地。

所述5V电源V_CC电路，电源V_CC通过电容C3连接工作地。

附图说明

附图1、附图2、附图3用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，附图1 是传统LC压控振荡器原理电路；附图2是基于HCMOS的电压控制振荡器电路；附图3是压控振荡器的供电电压V_VCO与振荡频率f的关系。

具体实施方式

有必要简单介绍一下传统LC压控振荡器电路的工作原理，与本专利所采用的技术特征作比较，从而体现本专利技术特征的新颖性、实用性、创造性。

传统LC压控振荡器的设计：压控振荡器(VCO)的类型通常有三种，分别是LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器，RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽；晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄；LC压控振荡器居二者之间。

下面以LC压控振荡器为例，描述VCO的工作原理。

在任何一种LC压控振荡器电路中，将压控可变电抗元件连接在振荡器回路就可形成LC压控振荡器，只是早期的压控可变电抗元件是电抗管，后来大都使用变容二极管。

图1是克拉泼型LC压控振荡器的电气工作原理电路。图中，T为晶体管，L为回路电感，C₁、C₂、C_V为回路电容，C_V为变容二极管反向偏置时呈现出的容量；通常电容C₁、C₂比C_V大得多。当VCO输入控制电压U _C改变时，C_V随之变化，因而振荡频率被改变。这种压控振荡器的输出频率与输入控制电压之间的关系为

式中C₀是零反向偏压时变容二极管的电容量；φ 是变容二极管的结电压；γ 是结电容变化指数，在实际应用时，为了得到线性控制特性，可以采取各种补偿措施。

故这种克拉泼型LC压控振荡器虽然应用广泛，但加上补偿措施电路以后，电路将变得复杂。

环形振荡器，是由三个非门或更多奇数个非门输出端和输入端首尾相接，构成环状的机器，电路的输出是振荡产生两个电平，偶数个反向器无法形成环形振荡器，这是由于输出的情况和输入相同。

如果用t代表单个反向器的延迟时间，n代表反向器的个数，环形振动器的频率可以写成

（1）

所以可以在环形振荡器的基础上，利用HCMOS在不同的工作电压具有不同的工作速度的特性，设计一个基于环形振荡器的HCMOS电压控制振荡器，如图2所示。

可以看到，图2所示的VCO包括1.5V~5V可调电源V_VCO电路、环形振荡器电路、缓冲器电路、线性放大器电路、5V电源电路。

图2中的IC1，型号为74HC00，是兼容TTL器件引脚的高速CMOS 2输入端四与非门，其耗电量低，速度快，图2的N₁~N₄皆属于其中的一个与非门；IC2（74HC04）是高速的硅栅CMOS器件并兼容低功耗肖特基的TTL（ LSTTL ）反相器，图2的N₅是74HC04，属于IC2。

经过查阅文献，可知74HC00逻辑门其高低电平是随电源电压变化的，电源电压为2V的时候，1.5V以上算高电平，0.5V以下算低电平；电源电压为4.5V的时候，3.15V以上算高电平，1.35V以下算低电平；电源电压为6V的时候，4.2V以上算高电平，1.8V以下算低电平。

所以图2所示的压控振荡器工作原理很好理解，将一个位于1.5V~5V之间变化的电源作为振荡器的输入信号，振荡器由三个级联的与非门N₁~N₃构成，N₃的输出连接N₁的其中一个输入，如果与非门的其中一个脚固定为高电平，另一个脚作为输入信号端，那么该与非门可以作为一个反相器看待，所以三个级联的与非门N₁~N₃构成一个环状振荡器。

上文已经提到，HCMOS集成电路有这样一种特性，其供电电压在2~6V变化时，在6V的工作电压下，这些集成块的工作速度要比2V的工作电压下快。

故这种基于HCMOS的电压控制振荡器的工作原理简介如下，分两种情况讨论振荡器的振荡过程。

由于1.5V~5V可调电源V_VCO电路同时连接与非门N1的1脚、与非门N2的4脚、与非门N3的10脚、与非门N4的13脚。

若与非门N₁的输入端2脚为“1”时，其输出端3脚为“0”， 由于N₁~N₃级联，N₂的输出端6脚为“1”，N₃输出端8脚为“0”，由于脚N3的脚8与N1的脚2相连，因而脚2不再为“1”，而是变为“0”。

另一种情况，若与非门N₁的输入端2脚为“0”时，其输出端3脚为“1”， 由于N₁~N₃级联，N₂的输出端6脚为“0”，N₃输出端8脚为“1”， 由于脚N3的脚8与N1的脚2相连，因而脚2不再为“0”，而是变为“1”。

由于逻辑门电路的延时作用，脚2由“1”变为“0”或由“0”变为“1”需要一定的时间，依此类推，于是振荡器开始工作，振荡器的工作频率

，其中t为与非门的延时。

经查阅文献，74HC00在温度为-40℃~+80℃时，若供电V_VCO=2V，最大延时t=115nS，典型延时t=25nS；若供电V_VCO=4.5V，最大延时t=23nS，典型延时t=9nS；若供电V_VCO=6V，最大延时t=,20nS，典型延时t=7nS。以上典型延时皆指工作温度在25℃时的延时。

故在工作温度为25℃时，以上环形振荡器的工作频率如表1所示，其中V_VCO指压控振荡器供电电压，即IC1的供电，t指逻辑门延时，f指环形振荡器工作频率，上述参数皆指温度为25℃时的典型值。

表1不同工作电压的环形振荡器的工作频率

V<sub>VCO</sub>（V）	t（nS）	f（MHz）	备注
				2	25	6.68	25℃
4.5	9	18.6	25℃
				6	7	23.9	25℃

压控振荡器的供电电压V_VCO与压控振荡器振荡频率f的关系如图3所示，图中数据为温度25℃测试。

图3表明，这种基于HCMOS的电压控制振荡器在供电电压限制的输入电压范围内，具有相当好的线性特性。

与非门N₄用作环形振荡器的输出缓冲器，输出缓冲器的作用是用来暂时存放环形振荡器送往外设的数据。

图2中压控振荡器的输入信号（即环形振荡器N₁~N₃的的输入信号）以及IC₁的供电电压皆为1.5V~5V间变化的电平，环形振荡器和缓冲器皆由IC₁实现。

图2中环形振荡器的输入电压U_i也就是IC₁的供电电压，IC₁的供电为1.5V~5V，由于任何逻辑电路的输出电压的峰值不能大于电源电压，因而环形振荡器的输出振荡信号通过缓冲器N₄后的峰值电平也为1.5V~5V中的一个固定值，但是一般HCMOS逻辑电路的输入峰值电压通常为5V，故必须配合或适应于压控振荡器后级的HCMOS逻辑电路的电平。

这是由反相器N₅来保证或实现的，N₅是由真正的5V电源V_CC供电的。

一般的反相器的放大区通常很窄，在这个区域以外，就是“饱和”状态或“截止”状态， 而当输入信号正好在放大区以内时，输出可以既不截止又不饱和，但是此区域内放大倍数又非常大，也就是说，输入略有微小变动，输出就变化很大。

图2电路中，反相器N₅的输出端通过反馈电阻R₁连接N₅的输入端，该反馈的性质为负反馈，所谓负反馈就是将输出信号的一定比例，反向叠加到输入信号上，使实际电路的输入变化幅度缩小，这里所说的“实际电路的输入”也就是指外加的输入信号反向叠加上这个反馈信号后的信号。

这样，从“外加的输入信号”到输出信号，总的放大倍数比原来减小了，但“实际电路的输入”变化幅度缩小后，有可能使它限制在放大区而不进入饱和区和截止区。

这样，由于图2中的反相器N₅的输入端与输出端之间连接有负反馈电阻R₁，故该反相器构成一个线性放大器，因而能非常灵敏地放大1.5V~5V的缓冲器N₄输出的振荡信号。

由于HCMOS电路的供电电压的限制，图2所示的这种压控振荡器若希望获得如图3所示的频率外的振荡信号，是不可能实现的，除非是在压控振荡器的门电路中增加偶数个同样功能的门电路，基于公式（1），增加的门电路等于增加了总延时时间，从而降低了振荡器的频率。

当然，也可以在输出电路上添加分频器，从而实现输出振荡信号频率的变化需求。

本文设计的电压控制振荡器，不需要RC时间常数，而是基于HCMOS电路供电电压与工作频率呈线性关系的特性而实现的，电路结构简单，频率稳定，虽然振荡频率的修改不是很方便，但仍然是一种实用价值较高的压控振荡器设计方案。

Claims (3)

1.一种基于HCMOS的电压控制振荡器，其特征在于：所述电压控制振荡器包括1.5V~5V可调电源V_VCO电路、环形振荡器电路、缓冲器电路、线性放大器电路、5V电源V_CC电路，与非门N4构成所述缓冲器电路，所述环形振荡器电路包括与非门N1、与非门N2、与非门N3，与非门N1的输出连接与非门N2的5脚，与非门N2的输出连接与非门N3的9脚，与非门N3的输出同时连接与非门N4的12脚以及与非门N1的2脚，所述1.5V~5V可调电源V_VCO电路同时连接与非门N1的1脚、与非门N2的4脚、与非门N3的10脚、与非门N4的13脚，所述电压控制振荡器的输入信号U_i连接与非门N1的1脚，与非门N1、与非门N2、与非门N3、与非门N4皆属于集成电路IC1的四个与非门之一，所述1.5V~5V可调电源V_VCO电路连接集成电路IC1的14脚，反相器N5属于集成电路IC2的六个反相器之一，与非门N4的输出通过电容C1连接反相器N5的输入端5脚，反相器N5的输出端6脚通过电阻R1连接反相器N5的输入端5脚，所述5V电源V_CC电路连接集成电路IC2的14脚，反相器N5的输出端6脚输出振荡信号U_O。

2.根据权利要求1所述的一种基于HCMOS的电压控制振荡器，其特征在于：所述1.5V~5V可调电源V_VCO电路，可调电源V_VCO通过电容C2连接工作地。

3.根据权利要求1所述的一种基于HCMOS的电压控制振荡器，其特征在于：所述5V电源V_CC电路，电源V_CC通过电容C3连接工作地。

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